（岩土工程专业论文）小净距隧道开挖模拟研究.pdf

摘要 小净距隧道的出现，给隧道的设计和施工带来了新的挑战。由于间距小，左右洞 施工时开挖与支护交错进行，围岩和支护结构之间荷载的转换非常复杂；目前隧道的 开挖多使用钻爆法开挖，对中夹岩的扰动大，而且初始地应力、围岩应力分布及衬砌 受力变形和受力状态不明确。 为全面了解和掌握小净距隧道的各项应力分布，采用数值模拟方法动态模拟隧道 施工全过程中的围岩和支护结构的应力应变关系，从理论的高度认识和解释施工过程 中隧道的变形规律和结构特点，具有重要意义。 本文以鹤上隧道工程实例为背景，利用大型数值分析软件a n s y s 建立有限 元计算模型，采用弹塑性有限元，对鹤上隧道施工过程进行了开挖模拟，其主要 研究内容包括： 1 、对v 级围岩的三种不同开挖方法进行了数值模拟，分析了三种开挖状态下围 岩的位移场和应力场，并对支护结构的应力状态进行了研究，得出c d 法是推荐的施 工方法。 2 、对、级围岩的施工过程进行了数值模拟，分析上下台阶开挖法的位移场 和应力场，并研究了支护结构的应力状态，验证了原设计方案能够满足围岩的位移和 变形要求，隧道的支护也能满足载荷要求。 3 、对鹤上隧道的现场监控量测资料进行了分析，并与开挖模拟的数据进行了对 比，验证了数值模拟的可靠性。 关键词：小净距隧道；数值模拟；监控量测；支护结构；隧道施工方法 a b s t r a c t t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft u n n e lh a v em e e tn e wc h a l l e n g e sb e c a u s eo ft h e a p p e a r a n c eo ft h en e i g h b o u r h o o dt u n n e l s i n c et h es p a ni sl i t t l e ，d u r i n ge x c a v a t i n ga n d s u p p o r t i n gt h et w om a i nh o l d so ft h et u n n e l ，t h ec o n v e r s i o no fl o a db e t w e e ns u r r o u n d i n g r o c ka n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r ei s v e r yc o m p l e x n et u n n e li s e x c a v a t e dg e n e r a l l yb y d r i l l i n ga n db l a s t i n g 1 1 1 em i d a d j a c e n tr o c ki sd i s t u r b e ds e r i o u s l y a n dt h ed i s t r i b u t i o no f 血ei n i t i a lg r o u n ds t r e s sa n ds u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sa n dt h ed e f o r m a t i o no ft h es u p p o r t i n g s t r u c t u r eu n d e rs t r e s sa l en o te l e a r t h e r e f o r e ，t h em e c h a n i c sr e l a t i o no ft h en e i g h b o u r h o o d t u n n e lu n d e rt h ec o n s t r u c t i o ni sv e r yc o m p l e x t ou n d e r s t a n d i n gt h ed i s t r i b u t i o no fv a r i o u s k i n d so fs t r e s si nt h en e i g h b o u r h o o dt u n n e l ，t h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o nb e t w e e nt h e s u r r o u n d i n gr o c ka n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r ei nc o u r s eo ft h ec o n s t r u c t i o ns h o u l db es t u d i e d w i t ht h ed y n a m i cs i m u l a t e dm e t h o d ，w h i c hc a ne x p l a i nt h e o r e t i c a l l yt h ed e f o r m a t i o nl a w o ft h er o c ka n ds t r u c t u r ei nt u n n e l i n g ，a n dw h i c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e c o m b i n e dw i t ht h ee x a m p l e so fh e s h a n gt u n n e l af e mn u m e r i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e db ya n s y ss o f t w a r e ，w h i c hi su s e dt or e s e a r c hi n t ot h et u n n e l e x c a v a t i o n ，a n dt h em a i nc o n t e n to ft h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ra sf o l l o w s ： 1 、f o rc a t e g o r yvr o e kw es i m u l a t ea n da n a l y z et h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to f s u l t o u n d i n gr o c ka n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fs u p p o r t i n gs t r u c t u r eu n d e rt h e r ek i n d so f e x c a v a t i o nm e n l o d st h a ta l eg e n e r a l l yu s e di nt u n n e l i n g t h ec dm e 血o di sr e c o m m e n d e d a sab e r e rm e t h o do fe x c a v a t i n gt h en e i g h b o u r h o o dt u n n e li nc a t e g o r yo fvr o e k 2 、f o rc a t e g o r y 、1 vr o c kb a s e do nb e n c he x c a v a t i o nm e t h o dt h es t r e s sa n d d i s p l a c e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c ka n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fs u p p o r t i n gs t r u c t u r ea r e a l s oa n a l y z e df o re a c hc a t e g o r yo fr o c k t h er e s u l tv e r i f i e st h a tt h eb e a c he x c a v a t i o ns c h e m e c a l lf u l f i l lt h ed e f o r m a t i o nr e q u i r e m e n to fs u r r o u n dr o c ka n dt h es u p p o s i n go fs t r u c t u r ec a l la l s o f i l l 衄t h el o a dr e q u i r e m e n t 3 、1 1 l ea u t h o ra n a l y s e st h ed a t am o n i t o r e di nh e s h a n gt u n s e la n dc o m p a r e st h e m w i t ht h es i m u l a t e dd a t e 皿er e s u l t ss h o wt h a tt i l en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sr e l i a b l e k e yw o r d s ：n e i g h b o u r h o o d t u n n e l ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n t ； s u p p o r ts t r u c t u r e ；t u n n e le x c a v a t i o nm e t h o d ； 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 闰j 弓亩。 日期：知簿j 月冲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“j ”) 作者签名： 闲物 l 导师签名姿触峄 日期舞j 月印日 日期：嘶月冲日 1 1 概述 第一章绪论 随着我国经济的高速发展，我国的交通运输事业也得到了迅速发展。公路隧 道以改善路线线性，缩短行车里程以及提高运营效率等优点在高等级公路的建设 中得到广泛的应用。 上个世纪5 0 年代，我国仅有隧道3 0 多座，总长度约2 5 公里。进入8 0 年代， 我国的公路隧道进入迅猛发展阶段，公路隧道的修建长度和开挖宽度都向前迈进 了很大一步。据不完全统计，到1 9 7 9 年我国的公路隧道仅为3 7 4 座，通车里程总 长5 2 公里；到1 9 9 3 年公路隧道为6 8 2 座，通车里程为1 3 6 公里；到2 0 0 0 + 年公路 隧道1 6 8 4 座，通车里程为6 2 8 公里；到2 0 0 2 年我国公路隧道达1 7 8 2 座，通车里 程达到7 0 4 公里。到2 0 0 4 年底，我国的公路通车总里程达1 8 5 6 万公里，其中高j 速公路里程达3 4 2 万公里“。 随着国民经济的迅速发展，大量的单线隧道需要增建二线隧道，或新线隧道 一开始就需要建成平行的双线，这就产生了新建隧道的开挖有可能影响既有隧道 的问题。依据隧道设计规范，两相邻隧道间的最小间距应按围岩的地质条件及隧 道的断面尺寸和施工方法等因素来确定，一般情况下，在i i i 级围岩中为( 2 0 ： - - 2 5 ) b ( b 为隧道的跨度) ，在i i i 级围岩中为( 2 5 3 o ) b ，i v 级围岩中为l ( 3 o - - 5 0 ) b ，v 一级围岩中为 5 o b0 1 。在某些地形、地质及特殊条件下， 隧道的间距不能满足规程但仍然需要修建。因此如何解决好双线隧道爆破开挖的 安全问题，预测对相邻隧道的影响，不但能提高设计方案的合理性，而且在很大 程度上可以缩短隧道的长度和节省施工中使用的土地，这在建筑用地日益紧张的- 情况下其技术经济效益是不可低估的。为此，在工程实践中，综合了分离式隧遭 和连拱隧道的优点，从而衍生了一种新的隧道形式一小净距隧道。 小净距隧道的中夹岩宽度介于连拱隧道和分离式隧道之间，其显著的特点是 可以利用狭窄的地形布设双线隧道，基于岩体力学的考虑，充分利用隧道围岩的 自稳、自承能力，通过围岩的加固措施提高中夹岩的自承能力，使隧道达到结构 合理、造价经济，易于施工的目的。1 。 由于问距小，左右洞施工时，开挖与支护交错进行，围岩和支护结构之间荷 载的转换非常复杂；而且由于目前隧道的开挖多使用钻爆法开挖，对中夹岩的扰 动大，再加上初始的地应力、围岩应力分布，及衬砌受力变形受力状态不明确。 因此在小净距隧道的施工过程中的力学关系是非常复杂的，稍有不慎，就会造成 严重的后果。目前小净距隧道的力学效应还不是很明晰，其设计和开挖方法仍然 处在经验的积累阶段。为了全面了解和掌握小净距隧道的各项应力的分布，采用 数值模拟的方法动态地模拟隧道施工全过程中的围岩和支护结构的应力应变关 系，从理论的高度认识和解释施工过程中隧道的变形规律和结构特点，显得尤为 重要。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 隧道的常用施工方法 小净距隧道的开挖方法选择，应以减免对中夹岩的扰动，控制对中夹岩的围 岩变形，有利于保证开挖过程中围岩的稳定性为原则“”。根据不同的围岩情况、 施工能力、旋工机具配置、工序转换等多方面因素加以综合考虑。经过各国学者 多年的努力摸索出一些可行的施工方法，其施工方法主要有以下几种”：全断面 法，上下台阶法，单侧壁导坑法，双侧壁导坑法、下导洞先行预留光爆层法等。 下面对以上各种方法的适用条件和特点作简要的说明。 1 2 1 1 全断面开挖法 该种方法从隧道开挖后的应力重分布的观点来看是非常有利的，但从地质条 件上看，适用于i 一级岩质较均匀的硬岩中，即用于比较稳定的围岩。其优点 是工序少，相互干扰少，便于组织施工和管理；工作空间大，便于组织大型机械 化旌工。 1 2 1 2 台阶法 台阶法是将断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖，视台阶长度大体 可分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种，三种方式中的台阶长度是依初次 支护形成闭合断面的时间来决定的，围岩越差，闭合时间要求台阶越短“。对于 一般的隧道断面，适当地选择台阶长度，能适应从土到岩质比较广泛的地质条件。 长台阶法一般上台阶超前5 0 m 以上或大于5 倍洞跨。 短台阶的台阶长度一般在2 0 一5 0 m 之间，或上台阶长度小于5 倍但大于1 1 5 倍洞跨，两个断面比较接近，作业之间会有干扰。由于短台阶法可以缩短支 护结构闭合时间，改善初次支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值， 所以适用范围很广，到v 级围岩都能采用，尤其适用于、v 级围岩，是n a t m 施工中主要采用的方法。 超短台阶法的台阶长度一般都小于坑道跨度，约在3 5 m 左右。由于超短台 阶法初次支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形，有效地控制地表沉 降，所以，适用于膨胀性围岩和土质围岩，要求及早闭合断面的场合。这种方法 的缺点是上下断面施工干扰大，生产效率较低，施工速度慢。采用超短台阶法施 工要注意以下几个问题，在软弱围岩施工时，应特别注意开挖断面的稳定性，必 ， 须采取辅助施工措施，如向围岩注浆或打入超前小导管，对开挖面进行预加固或 预支护。 1 2 1 3 侧壁导坑法 侧壁导坑法一般分为单侧壁导坑法和双侧壁导坑法。适用于大断面隧道，围 岩的承载能力较低的情况。 单侧壁导坑法中的单侧壁初次支护承载能力大，适用与断面跨度大，地表沉 降难于控制的软弱松散围岩中。 双侧壁导坑法，又称眼镜工法，当隧道跨度很大，地表沉降要求严格，围岩 条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。双侧壁 导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初次支护全断面的闭合时间长，但每个分 块都在开挖后立即各自闭合，施工安全、可靠，但速度慢，效率低，成本高。 1 2 1 4 中导洞超前预留光爆层法 当围岩条件较好时。可以采用中导洞超前预留光爆层法进行开挖。由于超前 导洞临空面的存在，二次扩挖( 预留光爆层) 的爆破装药量可大大减少，同时爆 破震动也可以大大减小。爆破震动控制技术要求相对较低，较全断面次爆破易 取得较好的经济效益。 1 2 2 小净距隧道推荐开挖方法 。二 小净距隧道开挖方式的选择不仅要根据施工单位的能力，施工机具的配置和 工序安排的要求，最主要的是要根据不同的围岩级别和隧道的埋深来控制“砌“。 下面对表1 推荐的各级围岩条件下的开挖方法选择作简要说明。 1 2 2 1v 级围岩段 围岩级别为v 级的土质隧道、浅埋隧道、偏压隧道，均应按正向单侧导坑法 进行开挖，主要基于以下几个方面的原因。 ( 1 ) 计算表明“1 ，单侧导坑与台阶法相比，引起的地表沉降约为台阶法的6 0 ，其拱顶位移为台阶法的8 2 ，边墙位移仅为台阶法的6 3 ，为减少开挖对中 夹岩的扰动，发挥中夹岩的自承能力，侧壁导坑是首选。 ( 2 ) 经验表明，坡、残积土在地下水不丰富的情况下一般稳定性较好，但在 富存地下水的情况下稳定性会非常的差。如果贸然以台阶法开挖进洞，常常在进 入地下水位线时，围岩会因地下水的长期软化而强度下降，致使施工陷入拱顶沉 降过大、下台阶开挖危险性大等不利局面。因此，在v 级围岩条件下的小净距隧 道开挖，应首选侧壁导洞法“”。 ( 3 ) 开挖浅埋、偏压隧道时，施工对围岩的扰动越大，围岩松动变形后作用 于支护上的压力也越大，为避免因围岩变形过大而引起山体下滑，致使初期及衬 砌开裂的事故的发生，应首选侧壁导洞法。 ( 4 ) 中夹岩处拱脚至拱腰变形量最大，刚性的侧壁初期支护对减小此范围处 变形有较大的作用。同时，侧壁导洞法便于及时封闭仰拱，有利于围岩整体稳定。 ( 5 ) 同级围岩一样，v 级围岩一般多采用人工或机械开挖，如爆破开挖。 因围岩松软、爆破进尺短，单段药量小，爆破震动也相对较小，因此及时采用单 向侧壁导洞开挖对中夹岩扰动也相对较小。 表1 1 小净距隧道推荐采用的开挖方法 开挖顺序图( 以左洞先行为例) 岩 旌工方法 123 别 单侧壁导洞法 双侧壁导洞法与 上下台阶组合法 龠qq e 、o 、 c d 法与上下台阶 组合法 台阶法与正向侧 壁洞组合法 台阶法与反向侧 e 弋 厂_ 、厂、 导坑组合法j 习 了 了 上下台阶法 下导洞先行 预留光爆层法 上下台阶法 偷m ) qq 、 全断面爆破 = 二 h i 法 1 2 2 2 级围岩段 ( 1 ) 在浅埋、偏压或软质岩石的级围岩地质情况下，推荐使用上下台阶法 与正向单侧壁导洞组合的开挖方法“”。 在先行洞开挖时，由于围岩变形特性同单洞或普通双洞隧道，因此可以采 用施工工序较为简单的上下台阶法。台阶法施工中应注意上台阶长度对围岩稳定 性的影响。 4 后行洞着重于首先加固中夹岩，利用侧壁刚性临时支护，减小后行洞开挖 对中夹岩的扰动。 在软质岩的级围岩条件下，爆破时一般药量较少，因此爆破震动较小， 对中夹岩危害也较小。 ( 2 ) 在硬质岩石的级围岩条件下，可采用上下台阶和反向侧壁导洞组合法 进行开挖。 在硬质岩石的级围岩条件下多采用钻爆法开挖，为减少爆破震动对相邻 的影响，应将震动最大的爆破远离中夹岩进行。 由于外侧导坑已开挖，靠中夹岩部分的开挖将有较好的临空面，可在较小 药量、较小的爆破震动的基础上取得良好的爆破效果，同时也可确保中夹岩的稳 定。 ( 3 ) 在硬质岩石的级围岩地质条件下，可采用上下台阶法进行开挖。 由于硬质岩石的级围岩已具有一定的自稳能力，因此可采用施工工序简 便的上下台阶法进行施工。 计算表明“”，采用台阶法进行旖工，围岩的塑性区随上台阶长度减小而显： 著减小j 台阶长度从1 d 减小到10 2 5 d 时，塑性区深度减小4 2 8 6 ；拱顶沉降减 少5 4 6 2 ；地表下沉减小6 7 5 3 ；地表沉降槽宽度减小5 0 以上。因此，在 采用台阶法进行施工时，如果没特别的需要，上台阶长度不宜过长，同时下台阶 应及时跟进，以便仰拱及时封闭。 ： 1 2 2 31 i 、i i 级围岩段 在、i i 级围岩地质条件下，采用超前导洞预留光爆层的开挖方法，主要基 于以下原因： ( 1 ) 、i i 级围岩的白稳性较好，可以采用全断面的开挖方式。 ( 2 ) 由于有超前导洞临空面的存在，二次扩挖。( 预留光爆层) 的爆破装药量 可大大减少，同时爆破震动也可以大大减小。”。 ( 3 ) 根据国内外有关研究表明，预留光爆层的爆破方法对开挖轮廓以外围岩 ( 围岩松弛带) 的破坏与预裂爆破相同，较普通爆破和光面爆破小。 ( 4 ) 1 i 级围岩节理较发育，采用少药量的崩裂式爆破形成的石碴体积不大， 一般不作处理便可作为路基的填料。 ( 5 ) 在级围岩地质条件下，可采用上下台阶法进行开挖，相对于超前导洞 预留光爆层而言，上下台阶法在围岩由高级向低级转换时较为适应，而总体爆破 效果较前者差，所需炸药药量较前者多，因此爆破震动控制技术要求较前者高。 ( 6 ) 当围岩条件较好时，可以采用全断面爆破法进行开挖，有利于大型设备 的施工，但应在爆破参数设计上严格执行 ：口f = 1 o t 。 式中n 为施工阶段数，在图2 - l 中n m m 3 。 因为“反转应力逐步释放法”是以“反转应力释放法”为基础的，其不可避 免地存在和“反转应力释放法”一样的不足之处。 “施加虚拟支撑力逐步释放法”是在“地应力逐步释放法”的基础上，通过 在开挖边界上施加虚拟支撑力的方法，来模拟围岩逐步卸载，其示意图如图2 2 所示。初始应力阶段( a ) 为初始地应力状态，与图2 1 完全相同；在阶段( b ) ， 隧洞的开挖引起开挖边界上的释放节点荷载 = 工。为实现这一过程，在初始 地应力场中挖去隧洞单元的同时，在开挖边界上各相应的节点上施加虚拟支撑力 几= ( 1 一) ( - ) ，则产生新的载荷边界条件，继续进行计算，就直接得到开挖后 ( q ) 开挖 二次 衬砌 初 期 支 护 ( d )( c ) 图2 1 “反转应力逐步释放法”进行隧道施工过程模拟示意图 围岩的位移场和应力场；在阶段( c ) ，初期支护施作后，又有一部分的节点荷载 ，2 ；= 口：工被释放，这时只需将虚拟支撑力减小为p ：；= ( 1 - 口。一口：) ( - ) ，继续进行 计算得到初期支护后围岩和支护的位移和应力；在阶段( d ) ，二次衬砌施作后， 剩余的节点荷载被完全释放，这时只需除去虚拟支撑力，继续计算就可得到最终 竣工后围岩和支护的位移和应力。口、口，、的确定方法同上。 “施加虚拟支撑力逐步释放法”对隧道施工过程的模拟连续进行，不需要应 力和位移的叠加，使分析过程更为简单，也符合施工实际。本论文对小净距隧道 施工过程的模拟主要采用此种方法。 ( q ) 开挖 三达 衬砌 初 期 支 护 【d ) ( c ) 图2 - 2 “施加虚拟支撑力逐步释放法”进行隧道施工过程模拟示意图 2 1 3 释放荷载的计算 无论采用那种方法来模拟隧道的施工过程，都要进行释放荷载的计算，有些 有限元程序可以自动计算节点的释放荷载，而有些由于计算程序的限制，往往需 要人工计算，释放荷载的确定也有两种方法，一种是将释放边界一侧单元的初始 应力转化成相应的等效节点荷载，然后通过叠加，计算开挖边界上各节点总的等 效节点荷载。公式见2 - 1 和2 2 。 另一种确定释放荷载的方法是：根据预计开挖边界两侧单元的初始应力通过 插值来求得边界节点上的应力，然后假定两相邻边界节点之间应力变化为线性分 布，从而按静力等效的原则计算各节点的等效节点荷载，如图2 3 所示。则对于 任一开挖边界节点i ，开挖引起的等效释放荷载( 等效节点力) 为 只一= 吉b “o - + ) - l - ( 7 x j + l b z + o x 卜- b l + 2 r ，o - + 4 z ) + r 圳“4 ：+ r ，卜。q 】 ( 2 - 5 ) 弓，t = 丢b ，。，( 4 l + n z ) + 吒m 口z + 盯，l + 2 ，瓴+ b 2 ) + n ，6 z + r 。卜t h 】 ( 2 6 ) 式中t l r z j - l o y j - 1f f “，o r ：，盯y ，j ，r 口j f 口卜l 为开挖节点i 一1 ，i ，i + l 处的应力 分量。当隧道进行分部开挖时，则第二次开挖应以第一次开挖后的应力场作为初 始应力场，以此类推。 ( a ) 洞型 e 二日 ( b ) 节点间的应力分布 图2 - 3 开挖边界线上应力及等效节点力计算示意图 2 2 隧道施工过程模拟的a n s y s 实现“” 2 2 1 初始应力的模拟 在a n s y s 中，有两种方法可以模拟初始地应力，一种是考虑岩体的自重应力， 忽略其构造应力，在分析的第一步，首先计算岩体的自重应力场。这种方法计算 简单方便，只需给出岩体的各项参数即可计算。不足之处在于计算出的应力场与 实际应力场有偏差，而且岩体在自重应力下还有初始位移，在继续分析后续施工 工序时，得到的位移结果是累加了初始位移的结果，而现实中初始位移早就结束， 对隧道的开挖不产生影响，因此在以后的每个施工阶段分析位移场时，需减去初 始位移场。 卿 叁垦垦 另一种是在进行结构分析时，a n s y s 中可以使用输入文件，把输入文件制定 为一种荷载，因此当具有实测的初始地应力资料时，可以把初始应力写成初应力 载荷文件，然后读入作为载荷文件，就可以直接进行第一步的计算。所得到应力 场和位移场就是开挖后的实际的应力场和位移场，无需进行加减。 2 2 2 开挖与支护的实现 在a n s y s 中可以使用单元生死技术来实现材料的添加与消除，对于隧道的开 挖与支护，采用此技术即可有效的实现开挖与支护过程的模拟。杀死单元时，a n s y s 程序将对死去的单元的刚度矩阵乘以一个非常小的数，并从总质量矩阵消去单元 的质量来体现“单元的死”，同时无活性的载荷( 压力，热应变等) 被设置为零。 隧道开挖时，可直接选择被挖掉的单元，然后将其杀死，以实现开挖模拟。 增加支护时，可首先将相应的支护部分在开挖时被杀死的单元激活，单元激活时， 具有零应变状态。而且，当打开大变形选项( n l g e o m ，o n ) 的话，它们的几何性质 ( 长度、面积等等) 被修改来与它们现在的偏移位置相适应。 此外，单元的生死状态可以根据a n s y s 的计算结果( 如应力，应变) 来决定， 在模拟过程中，可以将超过许用应力或许用应变的单元杀死，来模拟围岩和结构 的破坏。 2 2 3 连续施工的实现 a n s y s 程序中的载荷步( l o a ds t e p ) 功能可以实现不同工况间的连续计算， 用来模拟隧道的连续施工过程。 开始建立整体有限元模型，包括将要杀死和激活的部分，模拟的过程中不需 要重新划分网格。在一个载荷步计算结束后，可直接进行下一个载荷步计算：杀 死( 开挖) 或激活( 支护) 单元，改变虚拟支撑力等，然后求解计算。如此继续 一直到施工模拟结束。 需要注意的是，整个的连续计算过程应在求解器中完成。若想在每一载荷步 求解完成后进入通用后处理器，以便查看每一工序的计算结果，应在开始计算之 前设置重启动选项，避免破坏分析的连续性。在使用命令流分析时，可以直接计 算到最后，在查看结果时，通过后处理器( p o s t l ) 中的r e a dr e s u l t ，读入需要 查看的载荷步的结果。 2 2 4 地应力逐步释放的模拟 新奥法施工的隧道，往往采用复合式衬砌，当按线弹性或弹塑性问题建立平 面应变模型进行这种隧道施工过程的模拟分析时，为体现围岩的时空效应以及施 工工序的先后顺序，理应将地应力按照工况分成几部分逐步释放。在a n s y s 中可 以利用其能实现连续工况的计算这一功能，然后应用“施加虚拟支撑力逐步释放 法”来模拟应力的逐步释放，从而完成整个施工模拟。作为大型的通用软件，a n s y s 1 4 没有直接的命令可以直接完成虚拟支撑力的添加，在本论文中，笔者通过a n s y s 的二次开发语言a p d l 开发了施加虚拟支撑力的命令流，自动完成了地应力的逐步 释放的过程，很好地完成了隧道开挖的模拟计算。 2 3d p 材料m 1 2 3 1d p 材料简介 岩石、混凝土和土壤等材料都属于颗粒状材料，此类材料受压屈服强度远大 受拉屈服强度，且材料受剪时，颗粒会膨胀，常用的v o n m i s e s 屈服准则不适合于 这类材料。在土力学中，常用的屈服准则有m a h r c o u l o m b 准则，另一个能更准确 描述这类材料的强度准则为d r u c k e r p r a g e r 屈服准则，使用d r u c k e r p r a g e r 屈 服准则的材料简称为d p 材料。在岩石、土壤的有限元分析中，采用d p 材料可得 到较为精确的结果。 在a n s y s 软件中，d p 材料使用d r u c k e r p r a g e r 屈服准则，此屈服准则为对 m o h o r c o l o m b 准则的近似。其流动准则可以使用相关流动准则，也可以使用不相 关流动准则。其屈服面并不随着材料的逐渐屈服而改变，因此没有强化准则，：然 而其屈服强度随着侧限压力( 静水压力) 的增加相应的增加。其塑性行为被假定 为理想弹塑性。另外，这种材料考虑了由于屈服而引起的体积膨胀，但不考虑温 度的变化。 在利甩a n s y s 进行隧道开挖模拟时，对于、级围岩，一般都是用线 弹性材料进行模拟的，对于v 级围岩，考虑到土体的非线性，则用弹塑性材料进 行模拟。a n s y s 软件中将引起结构非线性的原因分成三种类型：几何非线性、材 料非线性( 物理非线性) 和状态非线性。几何非线性是由于变形物体本身几何形 状的有限变化( 大位移或大应变) 造成的；材料非线性是由于材料的应力应变关 系的非线性、塑性和粘性引起的；而状态非线性则是系统刚度因为系统状态的改 变在不同的值之间突然变化引起的，如单元的生死及接触等。对小净距隧道动态 施工的过程进行弹塑性分析时，需要考虑材料的非线性及由单元生死引起的状态 非线性。a n s y s 提供了多种塑性材料选项，但通常用d r u c k e r p r a g e r ( d p ) 材料 来模拟混凝土、岩石和土壤等颗粒状材料。 2 3 2d p 材料的输入常数 d p 材料的材料特性值由数据表输入，需要输入三个值：粘聚办c 、内摩擦角 中和膨胀角办。膨胀角办被用来控制体积膨胀的大小，对压实的颗粒状材料，当 材料受剪时，颗粒将会膨胀，如果膨胀角为0 ，则不会发生体积膨胀。如果办= 矿 在材料中将会发生严重的体积膨胀，一般来说，办= o 是一种保守的方法在本 文中，对v 级围岩的模拟中，由于没有实测的膨胀角办，采用了保守的方法，令 膨胀角办5 0 。 对d p 材料，其受压时的屈服强度大于受拉时的屈服强度。如果我们有单轴受 拉屈服应力和单轴受压屈服应力，可以通过下式将此二值转化成程序所需的输入 值 睁酊1 嵩 ， c ：盯，x 3 ( 3 - s i n # )( 2 8 ) 7 6 c o s # 上式中，b 和0 ，可由受压屈服应力( 盯。) 和受拉屈服应力( t y t ) 计算得来 2 丽o - c - - o - t ( 2 9 ) 盯。：。! 竺竺(2-i0)-v c v t 盯，2 丽；i 了 2 3 3d p 材料的屈服准则 对d p 材料，其等效应力表达式为 呼s ”防【m b 】 - 其中：o - 。= 平均应力或静水压力= 1 3 ( t + 仃，+ 盯：) ；陋】= 偏应力； b = 材料常数： m = m i s e s 屈服准则中的阻】。 上面的屈服准则是一种经过修正的m i s e s 屈服准则，它考虑了静水压力分量 的影响，静水压力( 侧限压力) 越高，则屈服强度越大。 材料常数b 的表达式如下 口：；型呈壁 ( 2 1 2 ) 4 3 ( 3 一s i n ) 其中：m = 内摩擦角( d p 材料的输入值) 。 材料的屈服参数定义为 6 c c o s 西 盯。= = = _ 一 4 3 ( 3 一s i n # ) 其中：c = 粘聚力( d p 材料的输入值) 屈服准则的表达式如下 f 妇。+ 阻】r 阻p 弘旷。 1 6 ( 2 1 3 ) 对d p 材料，当材料的参数1 3 和盯，给定后，其屈服面为一圆锥面，此圆锥面 是六角形的摩尔一库仑屈服面的外切锥面，如图( 2 - 8 ) 所示。 一o ， u2 = u3 u1 图2 - 4d r u c k e r - p r a g e r 屈服面和m o h o r - c o u l o m b 屈服面 2 4 本章小结 在本章中，主要介绍了目前的隧道开挖模拟的理论基础以及本文利用a n s y s 进行隧道开挖模拟的大体过程，如初始应力的计算，开挖和支护过程的模拟，连 续施工的模拟以及地应力逐步释放的模拟；并对d p 材料的特性进行了简单的介 绍。根据本章的理论，在后续的章节里，材料的类型的选取，材料参数的选择， 以及隧道模拟的主要步骤都得以基本确定。 第三章小净距隧道v 级围岩不同开挖方法的模拟 小净距隧道与连拱隧道和分离式隧道的根本区别就在于中夹岩的厚度小，中 夹岩的稳定性直接关系到小净距隧道安危。因此，在设计时应对中夹岩进行有效 的加固，确保有足够的强度和稳定性，采用合理的施工方法尽量减少对中夹岩的 扰动。本章将以福州国际机场鹤上隧道为原型，对v 级围岩采用不同的施工方法 ( 单侧壁导洞法，双侧壁导洞法与上下台阶组合法，c d 法与上下台阶组合法) 进 行模拟，探讨采用不同的施工方法时的围岩的位移场和应力场，以期找出小净距 隧道的合理的施工方法。 3 1 小净距隧道开挖方法示意“6 州“” 3 1 1 单侧壁导洞法 单侧壁导洞法施工工序如图3 - 1 所示： 图3 一l 单侧导坑法施工工序示意图 ( 1 ) 左洞内侧开挖：( 2 ) 左洞内侧喷锚支护，侧壁支护，中夹岩锚杆支护以及 内侧仰拱的浇筑：( 3 ) 左洞外侧开挖；( 4 ) 左洞外侧喷锚支护和仰拱的浇筑：( 5 ) 右 洞内侧开挖；( 6 ) 右洞内侧喷锚支护，侧壁支护，中夹岩锚杆支护以及内侧仰拱的 浇筑：( 7 ) 右洞外侧开挖：( 8 ) 右洞外侧喷锚支护和仰拱的浇筑。 3 1 2 双侧壁导坑和上下台阶组合法 双侧壁导坑和上下台阶组合法法施工工序如图、3 2 所示： ( 1 ) 左洞内侧导坑开挖；( 2 ) 左洞内侧喷锚支护，侧壁支护，中夹岩锚杆支护 以及内侧仰拱的浇筑：( 3 ) 左洞外侧导坑开挖；( 4 ) 左洞外侧喷锚支护，侧壁支护 和仰拱的浇筑；( 5 ) 左洞上台阶开挖；( 6 ) 左洞上台阶喷锚支护和临时仰拱的浇筑： ( 7 ) 左洞下台阶开挖；( 8 ) 左洞下台阶喷锚支护和仰拱的浇筑；( 9 ) 右洞上台阶开挖； ( 1 0 ) 右洞上台阶喷锚支护，中夹岩锚杆支护以及临时仰拱的浇筑；( 1 1 ) 右洞下台 阶开挖：( 1 2 ) 右洞下台阶喷锚支护，中夹岩锚杆支护以及内侧仰拱的浇筑。 图3 - 2 双侧导坑和上下台阶组合法施工工序示意图 3 1 3 c d 法和上下台阶组合法 c d 法和上下台阶组合法施工工序如图3 - 3 所示： 4 1 2 图3 - 3c o 法和上下台阶组合法施工工序示意图 ( 1 ) 左洞内侧上导坑开挖：( 2 ) 左洞内侧上导坑喷锚支护，侧壁支护，中夹岩 锚杆支护以及内侧临时仰拱的浇筑；( 3 ) 左洞内侧下导坑开挖；( 4 ) 左洞内侧下导 坑喷锚支护，中夹岩锚杆支护，侧壁支护和仰拱的浇筑；( 5 ) 左洞外侧上部开挖； ( 6 ) 左洞外侧上部喷锚支护和临时仰拱的浇筑；( 7 ) 左洞外侧下部开挖；( 8 ) ) 左洞 外侧下部喷锚支护和仰拱的浇筑；( 9 ) 右洞上台阶开挖；( 1 0 ) 右洞上台阶喷锚支 护，中夹岩锚杆支护以及临时仰拱的浇筑：( 1 1 ) 右洞下台阶开挖；( 1 2 ) 右洞下台 阶喷锚支护，中夹岩锚杆支护以及内侧仰拱的浇筑。 3 2 三种开挖方法施工过程的数值模拟 3 2 1 小净距隧道数值模拟计算模型 3 2 1 1 计算假定 本章针对小净距隧道三种开挖方法的计算是基于以下假定 ( a ) 计算模型为弹塑性材料： ( b ) 围岩的变形是各向同性的： 1 9 ( c ) 隧道是平面应变问题： ( d ) 岩体的初始应力场仅考虑自重应力，不考虑构造应力； ( e ) 只考虑喷砼和锚杆支护，钢拱架和二次衬砌认为是安全储备： ( f ) 地应力分步释放，开挖释放6 0 ，初期支护完成后释放4 0 3 2 i 2 模型的建立 岩体混凝土使用a n s y s 程序中的二维四节点等参单元p l a n e 8 2 模拟，衬砌混 凝土采用b e a m 3 模拟，锚杆采用l i n k l 模拟。在进行有限元计算时，围岩和混凝 土的物理力学参数根据福州国际机场高速公路一期工程两阶段施工图设计文件 中相应参数确定。不计中墙配筋。各类计算参数见表3 - 1 。以v 级围岩小净距浅 埋隧道两洞净距l o m ，单洞跨净1 5 6 0 m ，开挖高度11 6 7 m ，喷混凝土厚2 5 c m 、仰 拱厚4 0 c m 的有限元模型为例。锚杆的长度为3 5 m ，直径为2 5 c m ，间距1 2 m 。设 计文件中对v 级围岩对中夹岩采用超前小导管注浆的方式进行加固，在模拟计算 时采用直径为3 0 c m 的锚杆来替代。与围岩的加固作用相比，按平面应变问题处理 时人为加大了锚杆的支护作用。为了解决这一问题，通过三维计算结果比较，将 锚杆的弹性模量折减为标准的8 5 。模型的下边界取5 1 m ，左右边界各取6 2 m ， 上边界取浅埋4 0 m 。模型的边界条件采用施加约束的方法，在模型的底面加固定 支座以约束所有自由度，在平行隧道走向的两侧施加滑动支座，只约束水平方向 的自由度而释放垂直方向上的自由度，以模拟岩体的沉降。由于小净距隧道施工 工序较多，应力变化较为复杂，为更好地模拟其动态施工过程，对其有限元网格 进行了优化，对开挖影响较大的地方，如中夹岩，作了网格细化。 图3 - 4 有限元计算网格图 表3 - 1 有限元计算物理力学参数“9 材料弹性模量e容重t c o 备注 泊松比 类型 ( g p a ) ( k n m3 ) ( m p a )( m s 。) v 级 1 2o 42 00 _ 3 23 2 围岩重力加速度 c 2 0 2 6o 22 4 g 取为9 8 锚杆 1 7 00 37 8 3 2 2 开挖过程的数值模拟计算 在用a n s y s 程序对小净距隧道的上述三种开挖方法分别模拟其动态施工过程 时，由于实际的施工过程的工序复杂，根据有限元数值计算的特点，对三种方法 的施工工序作了必要的简化，简化后的工序见表3 - 2 。 表3 2 三种施工方法的比较 双侧壁导坑和上下一1 导洞和上下台阶 叠叉方法 单侧壁导坑法 4 1 序 台阶组合法 组合法 s t e p l计算自重应力计算自重应力计算自重应力 隧道开挖左洞内侧 s t e p 2 左洞内侧开挖左洞内侧导坑开挖 上导坑开挖 左洞内侧上导坑喷 左洞内侧喷锚支护，左洞内侧喷锚支护， 锚支护，侧壁支护， 侧壁支护，中夹岩锚 侧壁支护，中夹岩锚 s t e p 3 中夹岩锚杆支护以 杆支护以及内侧仰杆支护以及内侧仰 及内侧临时仰拱的 拱的浇筑拱的浇筑 浇筑 s t e p 4 左洞外侧开挖左洞外侧导坑开挖左洞内侧下部开挖 左洞内侧下导坑喷 左洞外侧喷锚支护 左洞外侧喷锚支护， 锚支护，中夹岩锚杆 s t e p 5 侧壁支护和仰拱的 和仰拱的浇筑支护，侧壁支护和仰 浇筑 拱的浇筑 s t e p 6 右洞内侧开挖左洞上台阶开挖 左洞外侧上部开挖 右洞内侧喷锚支护， 侧壁支护，中夹岩锚 左洞上台阶喷锚支左洞外侧喷锚支护 s t e p 7 杆支护以及内侧仰护、临时仰拱的浇筑和临时仰拱的浇筑 拱的浇筑 s t e p 8 右洞外侧开挖左洞下台阶开挖左洞外侧下部开挖 右洞外侧喷锚支护左洞下台阶喷锚支左洞外侧下部喷锚 s t e p 9 和仰拱的浇筑护和仰拱的浇筑支护和仰拱的浇筑 s t e p o 右洞上台阶开挖 右洞上台阶开挖 右洞上台阶喷锚支右洞上台阶开挖喷 护，中夹岩锚杆支护锚支护，中夹岩锚杆 s t e p l l 以及临时仰拱的浇支护以及临时仰拱 筑的浇筑 s t e p l 2 右洞下台阶开挖右洞下台阶开挖 右洞下台阶喷锚支右洞下台阶喷锚支 s t e p l 3 护，中夹岩锚杆支以护，中夹岩锚杆支护 及内侧仰拱的浇筑以及内侧仰拱的筑 隧道开挖的洞内位移观测主要可分为拱顶三点沉降观测和水平收敛观测，在 本论文中主要提取隧道开挖模拟计算的拱顶三点沉降和水平收敛的数据。沉降和 水平位移的点位见图3 5 。 a d 。，园业柏 甜 图3 - 5 测点布置示意图 3 3 计算结果分析 3 3 1 拱顶三点沉降分析 3 3 1 1 单侧导坑法 单侧导坑法开挖时围岩位移场变化过程如图3 - 6 所示，其水平位移值见表3 3 和拱顶沉降值见3 - 6 。左洞拱部完成支护后拱顶沉降为7 9 1 r a m ，c 点的沉降为 9 8